이름 반 날짜

EARTH EXPLAINED · 수업 가이드

일본이 움직인 날

2011년 도호쿠 지진과 쓰나미, 판부터 차근차근

영상 9:27수준 6–12학년 · 대학 기초 지질학교육 기준 MS-ESS2-2, MS-ESS3-2, HS-ESS2-1, HS-ESS3-1, HS-PS4-1
언어 한국어

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지구에서 가장 대비가 잘된 나라 중 하나가 2011년 3월 11일에 왜 그토록 큰 피해를 입었을까요? 경고의 징후는 이미 천 년도 넘게 그 나라의 역사에 기록되어 있었고 땅속에 묻혀 있었는데도 말입니다.

2011년 3월 11일, 태평양판이 일본 해구를 따라 일본 북부 아래에서 최대 50미터나 미끄러지면서 규모 9.0–9.1의 지진이 일어났습니다. 일본에서 관측된 가장 강력한 지진입니다. 이 수업에서는 이 사건을 판부터 차근차근 따라갑니다. 수백 년 동안 변형을 쌓아 온 고착된 섭입 단층, 그 모래가 지금도 센다이 평야 아래에 남아 있는 869년의 조간 쓰나미, 첫 몇 분 동안의 경보, 약 40미터 높이까지 밀려 올라가 태평양을 건넌 쓰나미, 인명 피해와 자연에 남긴 영향, 그리고 그 뒤 일본이 바꾼 것들입니다. 마지막으로 일본이 다음으로 주시하고 있는 단층인 난카이 해곡을 살펴봅니다.

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학습 목표 이 수업을 마치면 학생들은 다음을 할 수 있습니다:

  1. 일본에서 만나는 네 개의 판을 알고, 일본 해구에서 태평양판이 섭입하면서 고착된 단층에 변형이 어떻게 쌓이고 거대 지진으로 어떻게 풀려나는지 설명합니다.
  2. 해저가 갑자기 솟아오르면 어떻게 쓰나미가 생기는지, 그리고 쓰나미가 깊은 바다에서는 빠르고 낮게 이동하다가 해안에 다가가면 왜 느려지고 높아지는지 설명합니다.
  3. 역사 기록과 쓰나미 모래층을 이용해 869년의 조간 쓰나미가 어떻게 이 재해의 위험을 드러냈는지, 그리고 규모 8 안팎의 지진을 예상했던 예측이 왜 여전히 그 위험을 과소평가했는지 설명합니다.
  4. 2011년 3월 11일에 지진 조기 경보와 쓰나미 경보가 어떻게 작동했는지 설명합니다. 첫 규모 추정치 7.9가 왜 너무 작았는지, 먼바다의 관측이 경보를 어떻게 바로잡았는지도 포함합니다.
  5. 이 사건의 물리적 영향을 보여 주는 측정값을 해석합니다. 파열의 길이와 미끄러짐 양, 처오름 높이, GPS로 측정한 변위와 해안의 침강, 그리고 계산으로 구한 하루 길이의 변화입니다.
  6. 아네요시의 쓰나미 비석, 가마이시 학교들의 대피 훈련, 파도가 넘어간 방조제, 후쿠시마 다이이치 원자력 발전소를 예로 들어, 무엇이 사람들을 지켰고 무엇이 실패했는지 평가합니다.
  7. 2011년 이후 일본이 경보와 감시 체계를 어떻게 바꾸었는지 설명하고, 난카이 해곡의 30년 예측과 같은 장기 확률을 해석합니다.

시청 전

핵심 어휘 ★ 상급 학생을 위한 심화 용어

지각판
지구의 단단한 바깥 껍데기를 이루는 커다란 판으로, 두께는 보통 약 100킬로미터이며 그 아래의 더 뜨겁고 무른 맨틀 위를 천천히 움직입니다. 일본은 태평양판, 필리핀해판, 북아메리카판, 유라시아판의 네 판이 만나는 곳에 있습니다.
섭입
한 판이 휘어져 다른 판 아래로 가라앉아 다시 맨틀 속으로 들어가는 과정입니다. 일본 북동부 앞바다에서는 태평양판이 일본 아래로 가라앉고 있습니다.
해구
한 판이 다른 판 아래로 휘어져 내려가는 곳에 생기는, 해저의 길고 깊은 골짜기입니다. 태평양판이 내려가기 시작하는 일본 해구는 깊이가 약 8킬로미터입니다.
고착된 단층
판 경계 가운데 마찰 때문에 두 판이 서로 붙잡혀 있는 부분입니다. 그래서 판의 움직임은 감기는 태엽처럼 암석 속에 탄성 변형으로 저장되다가, 결국 단층이 지진으로 갑자기 미끄러집니다.
쓰나미
많은 양의 물이 갑자기 밀려날 때 생기는 일련의 바다 파도로, 여기서는 해저가 갑자기 위로 솟구치면서 생겼습니다. 첫 번째 파도가 가장 크지 않은 경우가 많습니다.
규모
지진의 크기를 나타내는 척도입니다. 규모가 한 단계 올라갈 때마다 약 32배 많은 에너지가 방출됩니다. 2011년 지진은 일본 기상청 기준으로 규모 9.0, 미국 지질조사국 기준으로 9.1이었습니다.
쓰나미 퇴적물
쓰나미가 해변과 해저에서 내륙으로 실어 와 흙이나 습지 진흙 위에 남긴 모래층입니다. 모래 속의 해양 미화석은 그 모래가 바다에서 왔음을 보여 줍니다.
처오름 높이
물이 육지에서 도달한 가장 높은 지점의 해수면 위 높이입니다. 특히 좁고 양옆이 가파른 만의 안쪽 끝에서는 해안선에서의 파도 높이보다 훨씬 클 수 있습니다.
지진 조기 경보
이미 시작된 지진의 진원 가까이에서 먼저 도착하는 빠른 지진파를 감지해, 더 느리고 강한 흔들림이 먼 곳에 도착하기 전에 경보를 보내는 시스템입니다. 몇 시간이 아니라 몇 초에서 일 분 정도의 여유를 줍니다.
침강
땅의 표면이 가라앉는 현상입니다. 2011년에 오시카반도는 몇 분 사이에 약 1.2미터 가라앉아, 해안 일부가 영구적으로 낮아지고 바다에 더 많이 노출되었습니다.
쓰나미 비석
과거의 쓰나미를 기록하고 후세에 경고하는, 일본 해안의 돌 기념비입니다. 아네요시의 비석이 그 예입니다. 이 지점보다 아래에 집을 짓지 마라.
하루의 길이
지구가 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간으로, 약 86,400초입니다. 질량이 지구의 자전축에 더 가까워지면, 피겨스케이팅 선수가 팔을 몸 쪽으로 당길 때처럼 지구가 아주 조금 더 빨리 돕니다.
거대 역단층 지진(메가스러스트 지진)★
섭입하는 판과 그 위에 있는 판 사이의 완만하게 기울어진 단층에서 일어나는 지진입니다. 2011년 도호쿠 지진을 포함해 규모 9 이상의 모든 지진은 메가스러스트 지진이었습니다.
지진 모멘트★
지진의 물리적 크기로, 암석의 강성 × 미끄러진 단층의 면적 × 평균 미끄러짐 양입니다. 모멘트 규모는 이 값으로 계산합니다.
고지진학★
묻혀 있는 모래층, 땅 높이의 갑작스러운 변화, 연대를 측정한 식물 잔해 같은 증거를 이용해, 관측 기기가 생기기 전에 일어난 지진과 쓰나미를 연구하는 학문입니다.
설계 기준★
구조물이 견디도록 설계된 가장 큰 재해(지진, 홍수, 쓰나미 등)입니다. 후쿠시마 다이이치에서는 쓰나미가 이를 훨씬 넘어섰습니다.

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0:00그 순간

2011년 3월 11일 금요일 오후 2시 46분, 일본 북동부 앞바다 약 70킬로미터 지점의 해저가 무너져 내렸습니다. 땅은 몇 분 동안 흔들렸고, 해안의 많은 곳에서 사람들에게는 바다가 밀려들기까지 대략 삼십 분의 시간이 있었습니다.

0:34네 개의 판

일본은 태평양판, 필리핀해판, 북아메리카판, 유라시아판이 만나는 곳에 있습니다. 태평양판은 해마다 약 8센티미터씩 일본 쪽으로 움직여 일본 해구에서 가라앉습니다. 판이 서로 맞물린 곳에서는 변형이 쌓이다가, 결국 단층이 미끄러지고 해저가 위로 솟구칩니다. 일본에서 전 세계 강진의 약 오분의 일이 일어나고 활화산이 백 개가 넘는 것은 이 때문입니다.

2:00과거로부터의 경고

869년의 조간 쓰나미는 센다이 평야를 덮쳐 약 1,000명이 물에 빠져 숨졌습니다. 1990년 무렵부터 지질학자들은 내륙 깊숙한 곳에서 그 모래와 그 아래의 더 오래된 모래층을 찾아냈습니다. 그런데도 공식 예측은 규모 9가 아니라 규모 8 안팎의 지진을 예상했습니다. 산리쿠 해안에서는 1896년과 1933년의 쓰나미로 각각 약 22,000명과 3,000명이 숨졌고, 아네요시 마을은 돌에 경고를 새겼습니다.

3:19오후 2:46

파열은 오시카반도 앞바다 약 70킬로미터, 깊이 약 30킬로미터 지점에서 시작되어 해구를 따라 약 400킬로미터를 찢고 나아갔으며, 최대 약 50미터 미끄러졌습니다. 조기 경보는 도쿄에 약 일 분의 여유를 주었습니다. 지진 삼 분 뒤에 나온 첫 쓰나미 경보는 규모 7.9를 바탕으로 3~6미터를 예측했지만, 먼바다의 센서가 실제 파도를 감지하자 10미터 이상으로 상향되었습니다.

4:38밀려온 파도

쓰나미가 왜 제트기 같은 속도로 깊은 바다를 건너고 해안 가까이에서 높이 쌓이는지 살펴봅니다. 미야코 부근에서는 물이 약 40미터 높이까지 밀려 올라가 방조제를 넘고 센다이 공항을 휩쓸었으며, 500제곱킬로미터가 넘는 땅이 물에 잠겼습니다. 반면 비석보다 위에 지어진 아네요시는 피해를 입지 않았습니다. 후쿠시마 다이이치에서는 약 6미터에 대비해 설계된 부지를 약 14미터 높이의 파도가 덮쳐 원자로 세 기에서 노심 용융이 일어났습니다. 쓰나미는 약 7시간 뒤 하와이에, 약 10시간 뒤 캘리포니아에, 약 하루 뒤 칠레에 도달했습니다.

6:16여파

18,000명 이상이 숨지거나 실종되었는데 대부분은 익사였고, 약 122,000채의 건물이 파괴되었습니다. 세계은행은 피해액을 최대 235,000,000,000달러로 추산했습니다. GPS 측정 결과 오시카반도는 5.3미터 움직이고 1.2미터 가라앉았으며, NASA의 한 계산에 따르면 하루가 약 1.8마이크로초 짧아졌습니다. 가마이시에서는 여러 해 동안의 훈련 덕분에 이 도시의 3,000명 가까운 학생들이 거의 모두 살아남았습니다.

7:22일본이 바꾼 것

2013년부터는 지진이 너무 커서 빨리 측정할 수 없을 때, 첫 쓰나미 경보가 수치를 짐작하는 대신 쓰나미가 '거대'할 것이라고 알립니다. 지금은 케이블로 연결된 150개의 해저 관측소 네트워크가 일본 해구와 쿠릴 해구를 감시하고 있으며, 400킬로미터가 넘는 새 방조제가 해안을 따라 늘어서 있고, 그중 일부는 높이가 12미터를 넘습니다.

7:57여전히 움직이는 땅

일본에서는 지금도 해마다 약 2,000번의 지진이 느껴집니다. 2025년에 일본 정부는 난카이 해곡에서 30년 안에 거대 지진이 일어날 확률을 한 방법으로는 60~90% 이상, 다른 방법으로는 20~50%로 추정했습니다. 정리: 기억해야 할 세 가지, 그리고 아네요시 비석의 교훈.

흔한 오개념 교사용

오개념쓰나미는 하나의 거대한 물의 벽이며, 먼바다에서도 해안에서와 똑같이 높다.

증거가 보여 주는 것깊은 바다에서 쓰나미의 높이는 고작 일 미터 정도일 수 있지만, 시속 약 800킬로미터로 이동합니다. 쓰나미는 얕은 물에서 느려질 때에야 높아지며, 여러 개의 파도로 이어져 도착합니다. 2011년에는 해안에서 처음 관측된 작은 수치 때문에 쓰나미가 크지 않을 것이라고 믿은 사람들도 있었고, 그래서 일본 기상청은 나중에 초기 관측 결과를 발표하는 방식을 바꾸었습니다.

오개념첫 쓰나미 경보가 파도의 높이를 알려 주므로, 예측치가 그 지역 방조제보다 낮으면 안전하다.

증거가 보여 주는 것2011년의 첫 예측인 3~6미터는 너무 작았던 규모 추정치 7.9에 바탕을 둔 것이었고, 일본 기상청은 이것이 일부 사람들의 대피를 늦췄을 수 있다고 결론지었습니다. 해안에서 강하고 긴 흔들림을 느꼈을 때 안전한 대응은, 첫 수치가 무엇이든 곧바로 높은 곳으로 가는 것입니다.

오개념과학자들은 이렇게 큰 쓰나미가 이 해안을 덮칠 수 있다는 것을 알 방법이 전혀 없었다.

증거가 보여 주는 것869년의 조간 쓰나미는 일본의 역사 기록에 묘사되어 있고, 1990년 무렵부터 지질학자들은 센다이 평야에서 해안으로부터 수 킬로미터 내륙에 있는 그 모래와 더 오래된 모래층을 찾아냈습니다. 증거는 있었습니다. 그런데도 공식 예측은 여전히 규모 8 안팎의 지진을 예상했습니다. 계기 관측 기록의 기간이 짧았고, 지질학 연구 결과가 아직 재해 평가에 반영되는 중이었기 때문입니다.

오개념지진 조기 경보는 지진이 일어나기 전에 지진을 예측한다.

증거가 보여 주는 것조기 경보는 이미 시작된 지진을 감지해, 더 느리지만 더 큰 피해를 주는 지진파와 경주를 벌입니다. 2011년의 도쿄처럼 진원에서 먼 곳에서는 수십 초에서 일 분 정도의 여유를 줄 수 있지만, 파열에 가장 가까운 곳에서는 경보가 도착하기 전에 강한 흔들림을 느낄 수 있습니다.

오개념2011년 지진은 지구를 자전축에서 밀어내고 하루의 길이를 눈에 띄게 바꾸었다.

증거가 보여 주는 것NASA의 한 계산에 따르면 하루가 약 1.8마이크로초 짧아졌고, 지구의 질량이 균형을 이루는 축(형상축)이 약 17센티미터 이동했습니다. 우주 공간에서 지구의 자전축은 움직이지 않았습니다. 이 변화는 느낀 것이 아니라 계산한 것이며, 바람, 해류, 지구의 핵 때문에 생기는 하루 길이의 자연적인 변동보다 훨씬 작습니다.

토론 질문

  1. 지질학자들은 2011년보다 이십 년도 더 전에 센다이 평야에서 조간 쓰나미의 모래를 찾아냈지만, 공식 예측은 규모 8 안팎의 지진을 예상했습니다. 새로운 지질학적 증거가 공식 계획을 바꾸기까지 왜 오랜 시간이 걸릴 수 있을까요? 강력하지만 아직 확실하지 않은 증거에 대해 사회는 어떻게 행동해야 할까요?
  2. 아네요시에서는 1933년 이후에 새긴 비석 덕분에 모든 집이 2011년 쓰나미가 닿지 않는 곳에 있었습니다. 다른 곳에서는 예전 쓰나미에 대비해 지은 방조제를 파도가 넘었습니다. 두 가지 보호 방식을 비교해 보세요. 기억으로 이어진 규칙과 공학적으로 지은 벽은 각각 어떤 장점과 약점이 있을까요?
  3. 가마이시의 학생들은 수년 동안 한 가지 규칙을 연습했습니다. 큰 지진이 나면 곧바로 높은 곳으로 달려가고 누구도 기다리지 않는다는 것입니다. 이런 단순한 규칙이 왜 공식 경보를 기다리는 것보다 더 많은 생명을 구할 수 있을까요? 이 규칙을 따르기 어려운 상황을 떠올릴 수 있나요?
  4. 2011년의 첫 쓰나미 경보가 제시한 수치는 훨씬 낮았던 것으로 드러났습니다. 2013년부터는 규모가 불확실할 때 첫 경보가 쓰나미가 '거대'할 것이라고만 알립니다. 수치 없는 경보는 정밀하지만 틀릴 수도 있는 예측보다 더 나을까요, 더 나쁠까요? 여러분의 생각과 그 이유를 설명해 보세요.
  5. 후쿠시마 다이이치에서는 약 6미터에 대비해 설계된 부지를 약 14미터 높이의 파도가 덮쳤습니다. 가장 큰 사건이 수백 년이나 수천 년에 한 번 일어날 때, 원자력 발전소나 병원, 학교가 얼마나 큰 재해를 견디도록 지어야 할지 기술자와 정부는 어떻게 정해야 할까요?
  6. 난카이 해곡에 대해 일본 정부는 두 가지 30년 확률을 내놓았습니다. 한 방법으로는 60~90% 이상, 다른 방법으로는 20~50%입니다. 각 수치는 한 가족, 한 도시, 그리고 중앙 정부에 각각 어떤 의미일까요? 대중에게 전하는 메시지에서 여러분은 어느 쪽을 강조하겠습니까? 그 이유는 무엇인가요?

퀴즈 답을 고르면 자동으로 채점됩니다

1.일본 해구에서 태평양판이 일본 북부와 만나는 곳에서는 무슨 일이 일어날까요?

2.섭입대의 단층은 왜 늘 매끄럽게 미끄러지지 않고 갑작스러운 거대 지진을 일으킬까요?

3.2011년보다 훨씬 전에도 거대한 쓰나미가 센다이 평야를 덮쳤다는 것을 보여 준 증거는 무엇일까요?

4.지진 삼 분 뒤, 첫 쓰나미 경보는 3~6미터의 파도를 예측했습니다. 이 예측은 왜 훨씬 낮았을까요?

5.깊은 바다에서 쓰나미는 높이가 고작 일 미터 정도일 수 있지만, 시속 약 800킬로미터로 이동합니다. 해안 가까이의 얕은 물에 이르면 어떻게 될까요?

6.후쿠시마 다이이치 원자력 발전소의 재난은 무엇 때문에 일어났을까요?

7.GPS 측정 결과 오시카반도는 바다 쪽으로 약 5.3미터 움직이고 약 1.2미터 가라앉았습니다. 이것은 무엇을 알려 줄까요?

8.가마이시에서는 3,000명 가까운 학생들이 거의 모두 쓰나미에서 살아남았습니다. 가장 큰 차이를 만든 것은 무엇일까요?

9.2013년 이후로, 지진이 너무 커서 빨리 측정할 수 없으면 일본 기상청의 첫 쓰나미 경보는 어떻게 할까요?

10.2025년에 일본 정부는 난카이 해곡에서 30년 안에 거대 지진이 일어날 확률을 한 방법으로는 60~90% 이상, 다른 방법으로는 20~50%로 추정했습니다. 가장 알맞은 해석은 무엇일까요?

서술형 답안

1. 2011년 지진이 어떻게 약 삼십 분 만에 일본 해안에 닿고 태평양 전체를 건넌 쓰나미를 만들어 냈는지 단계별로 설명해 보세요. 섭입, 고착된 단층, 변형, 해저 융기, 얕은 물이라는 용어를 사용하세요.

좋은 답안에 포함되는 내용

태평양판은 해마다 약 8센티미터씩 일본 쪽으로 다가와 일본 해구에서 섭입합니다. 판이 맞닿은 곳에서는 단층이 고착되어 있어서 일본의 가장자리가 끌려 내려가며 짓눌리고, 탄성 변형이 쌓입니다. 2011년에 변형이 마찰을 이겼습니다. 길이 약 400킬로미터의 구역에서 단층이 최대 약 50미터 미끄러졌고, 짓눌려 있던 가장자리가 튕겨 오르면서 해저가 위로 솟구쳐 그 위의 물기둥 전체를 들어 올렸습니다. 들어 올려진 물은 중력에 의해 다시 끌어내려지면서 사방으로 파도를 퍼뜨렸습니다. 깊은 바다에서 파도는 높이가 고작 일 미터 정도인 채로 시속 약 800킬로미터로 이동했고, 해안 가까이의 얕은 물에서는 느려지고 높아져 대략 삼십 분 만에 가까운 해안에 닿았으며, 곳곳에서 약 40미터까지 밀려 올라갔습니다. 탁 트인 태평양을 건너 약 7시간 뒤에는 하와이에, 약 하루 뒤에는 칠레에 도달했습니다.

2. 869년의 조간 쓰나미를 예로 들어, 지질학이 어떻게 계기 관측 기록이 놓친 재해 위험을 드러낼 수 있는지, 그리고 2011년 지진이 왜 여전히 공식 예측보다 컸는지 설명해 보세요.

좋은 답안에 포함되는 내용

일본에서 지진계로 지진을 기록해 온 기간은 약 한 세기에 불과해, 가장 큰 지진들 사이의 간격보다 훨씬 짧습니다. 일본의 역사 기록은 869년의 쓰나미가 센다이 평야를 덮쳐 약 1,000명이 익사했다고 전합니다. 1990년 무렵부터 지질학자들은 바다에서 실려 온 그 모래를 해안에서 수 킬로미터 떨어진 내륙에서 찾아냈고, 그 아래에서 더 오래된 모래층들도 발견했습니다. 이는 거대한 쓰나미가 수백 년 간격으로 되풀이해 이곳을 덮쳤음을 보여 줍니다. 그러나 공식 예측은 주로 더 잘 알려진 최근의 지진들을 바탕으로 했고, 규모 8 안팎의 지진을 예상했습니다. 지질학 연구는 아직 조간 지진이 얼마나 컸는지 추정하는 중이었고, 단층의 훨씬 더 넓은 구간이 한꺼번에 파열될 수 있다는 그 교훈 전체는 규모 9의 지진이 일어났을 때까지 재해 대비 계획에 반영되지 못했습니다.

3. 이 에피소드에서 소개한 세 가지 보호 방식, 곧 아네요시 비석, 가마이시 학교들의 훈련, 그리고 방조제와 후쿠시마 다이이치 원자력 발전소를 비교해 보세요. 어느 것이 사람들을 지켰고 어느 것이 실패했으며, 그 이유는 무엇일까요?

좋은 답안에 포함되는 내용

아네요시 비석이 효과가 있었던 것은 그 규칙이 다음 파도의 크기를 예측하는 데 의존하지 않았기 때문입니다. 모든 집이 비석보다 위에 지어졌고, 2011년의 파도는 비석에서 약 90미터 아래 비탈에서 멈췄습니다. 가마이시의 훈련이 효과가 있었던 것은 곧바로 높은 곳으로 달려가고 기다리지 말라는, 단순하고 충분히 연습한 규칙이 경보나 추정치에 의존하지 않았기 때문입니다. 이 도시 학생의 약 99.8%가 살아남았습니다. 예전 쓰나미에 대비해 지은 방조제와 약 6미터의 파도에 대비해 설계된 후쿠시마 다이이치 부지가 실패한 것은, 정해진 설계 높이에 맞춰 지어졌는데 2011년 쓰나미(발전소에서 약 14미터)가 그 높이를 넘었기 때문입니다. 교훈은 과거의 사건에 맞춰 크기를 정한 방어 시설은 파도에 넘어갈 수 있지만, 사람들을 파도가 닿지 않는 곳으로 옮기는 규칙은 파도의 크기와 상관없이 효과가 있다는 것입니다. 가장 좋은 계획은 둘 다 활용합니다.

심화 학습 대학 및 고등학교 심화

쓰나미는 얼마나 빨리 태평양을 건너고, 왜 높아질까?

쓰나미의 파장(수백 킬로미터)은 바다의 깊이보다 훨씬 길기 때문에, 쓰나미는 속도가 깊이 d에만 달려 있는 천해파처럼 행동합니다. c = √(g·d)이며, g = 9.81 m/s²입니다. 더 얕은 물로 들어가면 에너지 흐름(에너지 플럭스)이 보존되기 때문에 높이가 대략 1 ÷ ⁴√d, 즉 깊이의 네제곱근의 역수에 비례해 커지며(그린의 법칙), 마침내 부서지거나 육지로 범람합니다.

문제전형적인 깊이 5,000미터에서의 속도를 m/s와 km/h로 계산해 보세요. 2011년 진앙에서 호놀룰루까지의 대권 거리는 약 5,960킬로미터입니다. 이동 시간을 예측하고, 이 에피소드에서 말한 약 일곱 시간과 비교해 보세요. 그런 다음, 깊이 4,000미터의 물 위에서 높이 1미터인 파도가 깊이 10미터인 물에 이르렀을 때 얼마나 높아지는지, 그리고 그곳에서의 속도는 얼마인지 추정해 보세요. 2011년에 약 40미터였던 육지에서의 처오름 높이가 왜 그보다 훨씬 더 클 수 있을까요?

풀이

c = √(9.81 × 5,000) ≈ 221 m/s ≈ 800 km/h로, 이 에피소드에서 말한 속도입니다. 5,960 km ÷ 800 km/h ≈ 7.5시간으로, 관측된 도착 시간인 약 일곱 시간에 가깝습니다(실제 파도는 실제 해저를 따라 이동하는데, 그 일부는 5,000미터보다 깊습니다). 높아지는 정도: ⁴√(4,000 ÷ 10) = ⁴√400 ≈ 4.5이므로, 높이 1미터의 파도는 약 4.5미터가 되고, √(9.81 × 10) ≈ 10 m/s, 즉 약 36 km/h로 움직이는데, 이는 대부분의 사람이 달리는 것보다 빠릅니다. 처오름 높이는 먼바다에서의 파도 높이가 아니라 물이 육지를 타고 올라간 높이입니다. 산리쿠 해안에서는 좁은 V자 모양의 만이 물의 흐름을 모으고, 움직이는 물이 운동량을 지닌 채 비탈을 올라가기 때문에 처오름 높이가 약 40미터에 이르렀습니다.

규모, 에너지, 미끄러짐

방출되는 에너지는 규모가 한 단계 올라갈 때마다 약 101.5 ≈ 32배씩 커집니다. 모멘트 규모는 지진 모멘트 M₀(단위: 뉴턴미터)로부터 M₀ = 101.5·Mw + 9.1로 정의되며, M₀ = μ·A·D입니다. 여기서 μ는 암석의 강성, A는 미끄러진 면적, D는 평균 미끄러짐 양입니다. 미국 지질조사국(USGS)은 2011년 파열을 길이 약 400킬로미터, 너비 약 150킬로미터, 최대 미끄러짐 50~60미터로 모델링합니다.

문제최종 규모 9.1(USGS)은 첫 추정치 7.9보다 몇 배 많은 에너지에 해당할까요? 일본 기상청(JMA)의 9.0과 USGS의 9.1의 차이는 얼마나 중요할까요? μ = 4 × 1010 Pa를 이용해 Mw 9.0과 Mw 9.1의 평균 미끄러짐을 계산하고 최대 미끄러짐과 비교해 보세요.

풀이

첫 추정치보다 101.5 × 1.2 = 101.8 ≈ 63배 많은 에너지입니다. 첫 쓰나미 예측이 그렇게 낮았던 이유가 바로 이것입니다. 101.5 × 0.1 = 100.15 ≈ 1.4: 두 기관의 값은 에너지로 약 40% 차이가 나지만, 첫 오차에 비하면 작습니다. Mw 9.0의 경우 M₀ = 1022.6 ≈ 4.0 × 1022 N·m이므로 D = 4.0 × 1022 ÷ (4 × 1010 × 4 × 105 m × 1.5 × 105 m) ≈ 17 m이고, Mw 9.1의 경우 M₀ ≈ 5.6 × 1022 N·m, D ≈ 23 m입니다. 약 17~23미터의 평균 미끄러짐은 50~60미터인 최대값의 절반도 되지 않습니다. 최대 미끄러짐은 해구 가까이에 집중되어 있었고, 그곳에서 해저를 가장 많이 들어 올려 가장 큰 쓰나미를 일으켰습니다.

조기 경보는 얼마나 많은 시간을 벌어 줄 수 있을까?

P파는 지각 속을 대략 6~7 km/s로, 강한 흔들림의 대부분을 일으키는 S파는 대략 3.5~4 km/s로 이동합니다. 조기 경보 시스템은 진원 가까이의 관측소에서 P파를 감지하고 지진을 추정해 경보를 보내며, 경보는 그 뒤 전자 통신의 속도로 전달됩니다. 2011년 파열은 깊이 약 30킬로미터에서 시작되었습니다. 도쿄는 진앙에서 약 376킬로미터, 오시카반도의 끝은 약 76킬로미터 떨어져 있습니다.

문제파열이 시작되고 30초 뒤에 경보가 나간다고 가정해 보세요. 첫 S파가 도착하기 전까지 도쿄에 얼마의 시간이 있었는지 추정해 보세요. 그런 다음 S파가 경보보다 먼저 도착하는 지역인 '사각지대(블라인드 존)'의 반지름을 추정하고, 오시카반도가 그 안에 있었는지 판단해 보세요. 거대 지진에서 가장 강한 흔들림이 이 단순한 계산보다 늦게 도착할 수 있는 이유는 무엇일까요?

풀이

도쿄까지 S파의 이동 시간 ≈ 376 km ÷ 3.5~4 km/s ≈ 94~107 s이므로, 경보의 여유 시간은 약 64~77 s, 곧 이 에피소드에서 말한 대로 약 일 분입니다. 30 s 동안 S파는 진원에서 약 105~120 km를 이동합니다. 진원 깊이가 30 km이므로, 지표에서는 진앙으로부터 √(105² − 30²) ≈ 100 km에서 √(120² − 30²) ≈ 116 km까지 이릅니다. 진원에서 약 82 km 떨어진 오시카반도에는 겨우 약 20~23 s 만에 S파가 도착했으므로, 이런 경보보다 먼저였습니다. 거대 지진에서는 파열 자체가 몇 분 동안 계속 커지면서, 단층에서 나중에 깨지고 먼 도시에 더 가까운 부분에서도 강한 지진파를 내보냅니다. 그래서 실제 경보 시간은 파열의 출발점만이 아니라 파열 전체에 따라 달라집니다.

변형 수지와 조간형 쓰나미의 재발

태평양판은 해마다 약 83밀리미터씩 일본 북부 쪽으로 다가옵니다(USGS). Minoura와 동료들(2001)은 센다이 평야에서 쓰나미 모래층 세 개를 찾아내고, 가장 큰 쓰나미가 약 1,000년마다 덮쳤다고 추정했습니다. Sawai와 동료들(2012)은 여러 지점의 방사성 탄소 연대를 이용해 500~800년의 간격을 제시했습니다. 재발 간격 T를 확률로 바꾸는 간단한 방법은 사건이 무작위로 일어난다고 가정하는 것입니다. t년의 기간에 대해 P = 1 − exp(−t/T)입니다.

문제50미터의 미끄러짐은 몇 년 동안의 판 수렴에 해당할까요? 약 20미터의 평균 미끄러짐은요? 869년부터 2011년까지 얼마나 많은 수렴이 쌓였을까요? 그런 다음 T = 1,000년과 T = 500년일 때, 30년 안과 50년 안에 조간형 쓰나미가 일어날 확률을 계산해 보세요. 이 수치들은 '천 년에 한 번' 일어나는 사건에 맞춰 해안의 발전소나 마을을 설계하는 일에 대해 무엇을 알려 줄까요?

풀이

50 m ÷ 0.083 m/년 ≈ 600년, 20 m ÷ 0.083 m/년 ≈ 240년입니다. 869년부터 2011년까지(1,142년) 약 95미터의 수렴이 쌓였는데, 이는 2011년의 미끄러짐보다 많습니다. 따라서 모든 수렴이 고착된 구역에 변형으로 저장되는 것은 아니며, 일부는 느리고 조용한 미끄러짐과 이 판 경계에서 일어나는 수많은 작은 지진으로 풀려납니다. Ozawa와 동료들(2011)은 수지의 다른 측면을 지적합니다. 2011년 이전에 GPS는 도호쿠 앞바다에서 변형이 쌓이는 속도가 이 판 경계의 이전 지진들이 평균적으로 풀어 온 속도보다 훨씬 빠르다는 것을 보여 주었고, 그 변형이 결국 어떻게 풀려날 것인가 하는 의문을 낳았습니다. 확률: T = 1,000년이면 30년 안에 1 − exp(−0.03) ≈ 3%, 50년 안에 1 − exp(−0.05) ≈ 5%이고, T = 500년이면 각각 약 6%와 10%입니다. 결과가 파국적일 때, 발전소나 마을이 존재하는 기간 동안의 몇 퍼센트라는 확률은 결코 무시할 수 없습니다. 그래서 드문 사건은 설계에서 빼놓을 것이 아니라 설계에 포함해야 합니다.

지진이 정말로 하루의 길이를 바꾸었을까?

외부 토크가 없으면 지구의 각운동량 L = I·ω는 보존됩니다. 여기서 I는 관성 모멘트, ω는 자전 각속도입니다. 지진이 질량을 자전축 쪽으로 조금 옮기면 I는 줄고 ω는 커지며, 하루 T = 2π/ω는 짧아집니다. ΔT/T = ΔI/I. NASA의 Richard Gross는 2011년 지진이 하루를 약 1.8마이크로초 줄였다고 계산했습니다. 장기적으로는 달이 일으키는 조석 마찰이 하루를 길게 만듭니다. 고대의 일식과 월식 기록을 이용한 측정에 따르면 하루는 한 세기에 평균 약 1.8밀리초씩 길어집니다(Stephenson과 동료들, 2016).

문제하루가 1.8 µs 짧아진 것이 뜻하는 지구 관성 모멘트의 상대적 변화를 계산해 보세요. 장기적으로 하루가 길어지는 추세가 이 변화를 상쇄하려면 며칠이 걸릴까요? 이 변화가 영구적이라면, 지구의 자전을 기준으로 한 시계는 일 년 동안 원자시계보다 얼마나 빨라질까요?

풀이

ΔI/I = ΔT/T = −1.8 × 10−6 s ÷ 86,400 s ≈ −2.1 × 10−11. 한 세기에 1.8 ms라는 추세는 1.8 × 10−3 s ÷ 36,525일 ≈ 4.9 × 10−8 s로, 하루의 길이가 날마다 그만큼씩 길어진다는 뜻입니다. 따라서 약 1.8 × 10−6 ÷ 4.9 × 10−8 ≈ 37일이면 이 변화가 상쇄됩니다. 일 년 동안에는 365 × 1.8 µs ≈ 0.66 ms입니다. 이 효과는 실제로 있지만 아주 작으며, 바람, 해류, 지구의 핵 때문에 생기는 하루 길이의 자연적인 변동보다 훨씬 작습니다. 그래서 측정한 것이 아니라 계산으로 구한 것입니다.

교육 기준 연계

Next Generation Science Standards (NGSS, 미국)

MS-ESS2-2

지구과학적 과정이 다양한 시간적·공간적 규모에서 지구 표면을 어떻게 변화시켜 왔는지 증거에 기초해 설명을 구성한다.

이번 에피소드: 해마다 약 8센티미터인 느린 판의 수렴과, 몇 분 동안 일어난 단층의 미끄러짐, 해저의 융기, 해안의 침강.

MS-ESS3-2

자연재해에 관한 자료를 분석하고 해석하여 미래의 파국적 사건을 예측하고, 그 영향을 줄이는 기술의 개발에 활용한다.

이번 에피소드: 쓰나미 모래층과 재발, 조기 경보, 쓰나미 경보, 해저 케이블, 방조제, 난카이 해곡 예측.

HS-ESS2-1

지구의 내부 과정과 표면 과정이 다양한 공간적·시간적 규모에서 작용하여 대륙과 해저의 지형을 형성하는 방식을 보여 주는 모형을 개발한다.

이번 에피소드: 섭입대 모형: 해구, 고착된 단층, 변형의 축적, 위에 놓인 판의 탄성 반발.

HS-ESS3-1

천연자원의 이용 가능성, 자연재해의 발생, 기후 변화가 인간 활동에 어떤 영향을 미쳐 왔는지 증거에 기초해 설명을 구성한다.

이번 에피소드: 아네요시 비석, 가마이시의 훈련, 해안 재건과 새 방조제, 후쿠시마 다이이치의 입지와 설계.

HS-PS4-1

다양한 매질을 통과하는 파동의 진동수, 파장, 속력 사이의 관계에 관한 주장을 수학적 표현을 사용하여 뒷받침한다.

이번 에피소드: 깊이가 다른 물에서의 쓰나미 속도 c = √(g·d), 그리고 파도가 해안에 이를 때 왜 느려지고 짧아지며 높아지는지.

Advanced Placement (AP, 미국)

대학 강좌

일반 지질학

일본 주변의 판 경계와 미소판; 섭입대와 해구; 지진 주기와 탄성 반발

자연재해

거대 역단층(메가스러스트) 지진; 쓰나미의 발생, 전파, 천수 변형, 처오름; 고지진학과 쓰나미 퇴적물; 재발과 장기 확률; 경보 체계와 대피

지구물리학

지진 모멘트와 모멘트 규모; 규모 포화; 지진 조기 경보; GPS 측지학과 지진 시 지각 변위; 지진과 지구의 자전

재난 위험 관리

공학의 설계 기준과 드문 사건; 위험 소통과 경보 문구; 지역 사회의 훈련과 과거 재난의 기억

대본 자막과 같은 한국어 내레이션

0:00그 순간

2011년 3월 11일 금요일 오후 2시 46분, 일본 북동부 앞바다 70킬로미터 지점의 해저가 갑자기 무너져 내렸습니다.

0:10땅은 몇 분 동안 흔들렸고, 해안의 많은 곳에서 사람들에게는 바다가 밀려들기까지 대략 삼십 분 정도의 시간밖에 없었습니다.

0:18이것은 일본에서 관측된 가장 강력한 지진의 이야기입니다. 이 지진이 왜 일어났는지, 그 경고가 왜 이미 1,000년이나 된 것이었는지, 그리고 그 뒤 일본이 무엇을 바꾸었는지 살펴보겠습니다.

0:34네 개의 판

그날을 이해하려면 땅속에서부터 시작해야 합니다. 일본은 지구의 지각판 네 개가 만나는 곳에 자리하고 있기 때문입니다.

0:41그 네 판은 태평양판, 필리핀해판, 북아메리카판, 유라시아판입니다. 각 판은 두께가 약 100킬로미터에 이르는 거대한 암석 덩어리로, 행성 위를 천천히 떠다니고 있습니다.

0:54그 어느 판도 움직임을 멈추는 일이 없습니다. 태평양판은 해마다 약 8센티미터씩 일본 쪽으로 다가오고 있는데, 이는 손톱이 자라는 속도의 약 두 배입니다.

1:05북동부 해안 앞바다에서 태평양판은 깊이 약 8킬로미터의 해저 골짜기인 일본 해구에서 일본 북부와 만납니다.

1:14해구에서 태평양판은 휘어지며 일본 아래로 파고들어, 뜨거운 맨틀 속으로 천천히 가라앉습니다.

1:22하지만 매끄럽게 미끄러져 들어가지는 않습니다. 두 판이 맞닿은 곳에서는 판이 서로 맞물려 고정되기 때문에, 해마다 일본의 가장자리는 아래로 끌려 내려가며 짓눌립니다. 마치 태엽을 점점 더 단단히 감는 것과 같습니다.

1:34결국 쌓인 변형이 마찰을 이겨 냅니다. 불과 몇 분 사이에 단층이 미끄러지고, 짓눌려 있던 판의 가장자리가 튕겨 오르며, 해저가 위로 솟구쳐 그 위의 바닷물 전체를 들어 올립니다.

1:47이 과정 때문에 전 세계 강진의 약 오분의 일이 일본에서 일어나며, 이 나라에 활화산이 100개가 넘는 것도 그 때문입니다.

2:00과거로부터의 경고

일본에는 1,000년 이상 거슬러 올라가는 지진 기록이 남아 있는데, 그중 하나는 869년의 어느 밤을 묘사하고 있습니다.

2:09그날 밤, 지금의 센다이시 부근에서 거대한 지진이 일어났고, 바닷물이 해안 평야를 가로질러 내륙 깊숙이 밀려들었습니다. 약 1,000명이 물에 빠져 숨졌습니다.

2:191990년 무렵부터, 바로 그 평야를 파 내려가던 지질학자들은 그 쓰나미가 남긴 흔적을 발견했습니다. 그것은 해안에서 수 킬로미터 떨어진 곳에 쌓인 바다 모래층이었고, 그 아래에는 더 이전의 거대한 파도가 남긴 더 오래된 모래층들이 있었습니다.

2:35이 증거는 거대한 쓰나미가 수백 년 간격으로 이 해안을 거듭 덮쳤다는 사실을 보여 주었습니다. 공식 예측도 이곳에서 큰 지진을 예상하기는 했지만, 규모 구가 아니라 규모 8 안팎의 지진을 예상했습니다.

2:49더 북쪽의 험준한 산리쿠 해안에는 더 최근의 기억이 남아 있었습니다. 1896년, 그곳에서 쓰나미가 최고 38미터 높이까지 밀려 올라와 약 22,000명이 목숨을 잃었습니다.

3:021933년에는 또 다른 쓰나미로 약 3,000명이 더 숨졌습니다. 그 뒤, 아네요시라는 작은 마을 사람들은 돌에 경고를 새겼습니다.

3:12비문에는 이렇게 적혀 있습니다. 이 지점보다 아래에 집을 짓지 마라.

3:19오후 2:46

2011년 3월 11일 오후 2시 46분, 단층이 마침내 끊어졌습니다. 파열은 오시카반도 앞바다 약 70킬로미터, 깊이 약 30킬로미터 지점에서 시작되었습니다.

3:32그곳에서 파열은 해구를 따라 약 400킬로미터에 걸쳐 찢어져 나갔고, 어떤 곳에서는 두 판이 서로 50미터나 어긋났습니다.

3:41일본의 지진 조기 경보 시스템은 주된 역할을 해냈습니다. 센서가 먼저 도착하는 빠른 지진파를 감지했고, 가장 강한 흔들림이 도착하기 전에 경보가 발령되었습니다.

3:53약 370킬로미터 떨어진 도쿄에서는 약 일 분 먼저 경보를 받았지만, 경보는 그곳의 흔들림을 크게 과소평가했습니다.

4:02지진 발생 삼 분 뒤, 일본 기상청은 가장 높은 단계의 쓰나미 경보를 발령했습니다. 그러나 지진 규모의 첫 추정치는 7.9로 너무 작았고, 그래서 첫 파고 예측도 3~6미터로 너무 낮았습니다.

4:21그 뒤 먼바다의 센서가 실제 파도를 감지했고, 경보는 10미터 이상으로 상향되었습니다. 최종 규모는 일본 기준으로 9, 미국 지질조사국 기준으로 9.1이었습니다.

4:38밀려온 파도

깊은 바다에서 쓰나미는 높이가 고작 일 미터 정도일지라도 제트기만큼 빠른 시속 약 800킬로미터로 이동합니다.

4:50해안 근처에서 수심이 얕아지면 파도는 느려지는데, 뒤에서 물이 계속 밀려오기 때문에 위로 솟구칠 수밖에 없습니다.

4:59이 쓰나미는 사방으로 퍼져 태평양 전체를 가로질렀습니다.

5:04미야코 부근에서는 바닷물이 언덕 비탈을 타고 해발 40미터까지 올라갔고, 예전 쓰나미에 대비해 지은 방조제들은 그대로 넘어가 버렸습니다.

5:14배들이 내륙 깊숙이 떠밀려 갔습니다. 미야코의 이 여객선은 주택들 사이에 그대로 남겨졌습니다.

5:21869년에 물에 잠겼던 바로 그 땅인 센다이 평야에서는, 바닷물이 센다이 공항을 휩쓸고 내륙으로 수 킬로미터나 더 밀려들었습니다.

5:30모두 합쳐 500제곱킬로미터가 넘는 일본 땅이 물에 잠겼고, 해안을 따라 어촌 마을들이 통째로 파괴되었습니다.

5:39아네요시에서는 파도가 옛 비석에서 약 90미터 아래 비탈에서 멈췄습니다. 마을의 모든 집이 비석보다 위에 지어져 있었고, 단 한 채도 피해를 입지 않았습니다.

5:49후쿠시마 다이이치 원자력 발전소에서는 약 육 미터에 대비해 설계된 부지를 높이 약 14미터의 파도가 덮쳤습니다. 발전소는 전원을 잃었고, 원자로 세 기에서 노심 용융이 일어나, 체르노빌 이후 최악의 원자력 사고가 되었습니다.

6:04그사이에도 쓰나미는 계속 나아갔습니다. 쓰나미는 약 일곱 시간 뒤 하와이에, 약 열 시간 뒤 캘리포니아에 도달해 항구의 배들을 부숴 놓았고, 지진 발생 약 하루 뒤에는 칠레에 이르렀습니다.

6:16여파

18,000명 이상이 숨지거나 실종되었는데, 대부분은 익사였으며, 120,000채가 넘는 건물이 파괴되었습니다.

6:25세계은행은 피해액을 최대 235,000,000,000달러로 추산했는데, 이는 당시 기록상 가장 큰 비용을 치른 자연재해였습니다.

6:36이 지진은 땅의 모습마저 바꾸어 놓았습니다. 오시카반도는 바다 쪽으로 5미터 넘게 움직였고, 일 미터 넘게 가라앉았습니다.

6:46또한 지구의 질량을 워낙 많이 옮겨 놓아서, NASA의 한 계산에 따르면 지구는 이제 아주 조금 더 빠르게 자전합니다. 하루의 길이가 약 1.8마이크로초 짧아졌는데, 누구도 알아차릴 수 없을 만큼 아주 작은 차이입니다.

7:01살아남은 이들의 이야기도 있습니다. 가마이시시의 학생들은 수년 동안 한 가지 간단한 규칙을 연습해 왔습니다. 큰 지진이 나면 곧바로 높은 곳으로 달려가고, 누구도 기다리지 말라는 것입니다.

7:14이 도시의 3,000명 가까운 학생들은 거의 모두 살아남았습니다.

7:22일본이 바꾼 것

일본은 쓰나미 경보 체계를 다시 세웠습니다. 이제는 지진이 너무 커서 빨리 측정할 수 없을 때, 첫 경보는 더 이상 수치를 짐작하지 않습니다. 그저 쓰나미가 거대할 것이라고 사람들에게 알립니다.

7:35일본 해구와 쿠릴 해구를 따라 150개의 해저 관측소가 지금 지진과 쓰나미를 감시하고 있으며, 약 5,500킬로미터의 케이블로 육지와 연결되어 있습니다.

7:47지금은 400킬로미터가 넘는 새 방조제가 해안을 따라 늘어서 있으며, 그중 일부는 높이가 12미터를 넘습니다.

7:57여전히 움직이는 땅

판들은 움직임을 멈추지 않았습니다. 보통 한 해 동안 일본에서는 약 2,000번의 지진이 감지되는데, 하루에 다섯에서 여섯 번꼴입니다. 대부분은 아주 약해서 실내에 가만히 앉아 있는 사람들만 느낄 정도이지만, 하나하나가 같은 판들이 여전히 움직이고 있다는 신호입니다.

8:13과학자들은 또 다른 단층인 일본 남서부 앞바다의 난카이 해곡도 지켜보고 있습니다. 2025년, 일본 정부는 그곳에서 30년 안에 거대 지진이 일어날 확률을 추정했습니다. 한 방법으로는 60~90% 이상이고, 다른 방법으로는 20~50%입니다.

8:32자, 기억할 것 세 가지입니다. 첫째, 2011년 지진은 일본 해구에서 태평양판이 일본 북부 아래로 최대 50미터나 미끄러지면서 일어났습니다. 그 결과 이 지진은 일본에서 관측된 가장 강력한 규모 9의 지진이 되었습니다. 둘째, 피해의 대부분은 쓰나미가 일으켰습니다. 쓰나미는 최고 40미터 높이까지 밀려 올라왔고, 18,000명 이상이 숨지거나 실종되었습니다. 그리고 셋째, 경고는 이미 있었습니다. 869년의 홍수 속에, 그리고 아네요시의 비석 같은 돌들 속에 말입니다.

9:05아네요시의 비석은 지금도 서 있으며, 그 메시지가 바로 이 이야기 전체의 교훈입니다. 지구는 자신만의 달력을 가지고 있으며, 우리가 잊은 것을 기억합니다. Earth Explained를 시청해 주셔서 감사합니다. 구독하고 다음 이야기를 만나 보세요. EarthWatch 24-7에서 언제든지 지구를 실시간으로 보실 수 있습니다.

출처

  1. U.S. Geological Survey. M 9.1 – 2011 Great Tohoku Earthquake, Japan. Earthquake Hazards Program event page, with tectonic summary. earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/official20110311054624120_30/executive사용 내용: 규모 9.1, 위치와 깊이, 해마다 83밀리미터의 판 운동, 파열의 크기와 미끄러짐
  2. Japan Meteorological Agency. (2013). Lessons learned from the tsunami disaster caused by the 2011 Great East Japan Earthquake and improvements in JMA's tsunami warning system. www.data.jma.go.jp/eqev/data/en/tsunami/LessonsLearned_Improvements_brochure.pdf사용 내용: 14:49의 첫 경보(M7.9, 3~6미터), 10미터 이상으로의 상향, 최종 규모 9.0, 2013년의 '거대' 경보
  3. National Police Agency of Japan. (2021). Police countermeasures and damage situation associated with 2011 Tohoku district – off the Pacific Ocean Earthquake (March 10, 2021). www.npa.go.jp/news/other/earthquake2011/pdf/higaijokyo_e.pdf사용 내용: 사망자, 실종자, 파괴된 건물
  4. Ozawa, S., Nishimura, T., Suito, H., Kobayashi, T., Tobita, M., & Imakiire, T. (2011). Coseismic and postseismic slip of the 2011 magnitude-9 Tohoku-Oki earthquake. Nature, 475, 373–376. doi.org/10.1038/nature10227사용 내용: 땅이 얼마나 움직였는지에 대한 GPS(GEONET) 측정과, 해구를 따라 약 400킬로미터에 걸친 단층의 미끄러짐
  5. The 2011 Tohoku Earthquake Tsunami Joint Survey Group. 現地調査結果 (Field survey results). In Japanese. coastal.jp/ttjt/index.php?%E7%8F%BE%E5%9C%B0%E8%AA%BF%E6%9F%BB%E7%B5%90%E6%9E%9C사용 내용: 쓰나미의 높이와 약 40미터의 처오름 높이
  6. Minoura, K., Imamura, F., Sugawara, D., Kono, Y., & Iwashita, T. (2001). The 869 Jōgan tsunami deposit and recurrence interval of large-scale tsunami on the Pacific coast of northeast Japan. Journal of Natural Disaster Science, 23(2), 83–88. www.jsnds.org/jnds/23_2_3.pdf사용 내용: 조간 쓰나미, 내륙 약 3~4킬로미터에 있는 그 모래, 약 1,000명의 사망자, 약 1,000년의 재발 간격
  7. Sawai, Y., Namegaya, Y., Okamura, Y., Satake, K., & Shishikura, M. (2012). Challenges of anticipating the 2011 Tohoku earthquake and tsunami using coastal geology. Geophysical Research Letters, 39, L21309. doi.org/10.1029/2012GL053692사용 내용: 해안을 따라 분포하는 조간 퇴적물, 그 재발, 그리고 그 증거가 규모 9를 내다보지 못한 이유
  8. Fackler, M. (2011, April 20). Tsunami warnings, written in stone. The New York Times (reprinted by NBC News). www.nbcnews.com/id/wbna42688590사용 내용: 아네요시 비석과 2011년 파도가 멈춘 곳
  9. International Atomic Energy Agency. (2015). The Fukushima Daiichi Accident: Report by the Director General. IAEA, Vienna. www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/Pub1710-ReportByTheDG-Web.pdf사용 내용: 14~15미터의 파도, 발전소의 설계 가정, 전원과 냉각 기능의 상실
  10. NASA Jet Propulsion Laboratory. (2011, March 14). Japan quake may have shortened Earth days, moved axis. News release (Richard Gross), as reprinted by Geology.com. geology.com/nasa/japan-earthquake사용 내용: 하루 길이의 1.8마이크로초 변화와 형상축의 17센티미터 이동
  11. Stephenson, F. R., Morrison, L. V., & Hohenkerk, C. Y. (2016). Measurement of the Earth's rotation: 720 BC to AD 2015. Proceedings of the Royal Society A, 472, 20160404. doi.org/10.1098/rspa.2016.0404사용 내용: 하루 길이의 장기적인 증가, 한 세기에 약 1.8밀리초
  12. Japan Science and Technology Agency. Educational activities for disaster prevention backed by scientific evidence behind a 'miracle' (Toshitaka Katada, Kamaishi). www.jst.go.jp/EN/achievements/research/toshitaka_katada2016.html사용 내용: 가마이시: 약 3,000명의 학생 중 99.8%가 생존
  13. Cabinet Office, Government of Japan. (2013). 平成25年版 防災白書 (White Paper on Disaster Management 2013), Part 1, Introduction. In Japanese. www.bousai.go.jp/kaigirep/hakusho/h25/honbun/1b_0s_01_00.htm사용 내용: 세계의 규모 6 이상 지진 가운데 약 20%가 일본 주변에서 일어남
  14. Headquarters for Earthquake Research Promotion, Earthquake Research Committee. (2025). 南海トラフの地震活動の長期評価（第二版一部改訂） (Long-term evaluation of the Nankai Trough, second edition, partial revision). In Japanese. jishin.go.jp/evaluation/long_term_evaluation/subduction_fault/summary_nankai사용 내용: 60~90% 이상과 20~50%라는 30년 확률

에피소드 속 이미지: USGS, NOAA, NASA(퍼블릭 도메인), 지도는 NASA GIBS를 통한 NASA/USGS Landsat; 애니메이션은 EarthWatch 24-7 제작. 전체 출처: earthwatch247.com/credits.html.

이 수업 인용하기

EarthWatch 24-7. (2026). 일본이 움직인 날: 2011년 도호쿠 지진과 쓰나미, 판부터 차근차근 [동영상 수업]. Earth Explained, 에피소드 1. https://earthwatch247.com/learn/japan-2011/ko/

정답

  1. C. 이것이 섭입입니다. 해마다 약 8센티미터씩 일본 쪽으로 움직이는 태평양판은 일본 해구에서 아래로 휘어져 일본 아래로 가라앉습니다.
  2. A. 판은 계속 가까워지지만, 고착된 접촉면이 태엽을 감듯 일본의 가장자리를 끌어내리고 짓누릅니다. 변형이 마찰을 이기면 단층이 미끄러지고, 짓눌려 있던 가장자리가 튕겨 오릅니다.
  3. D. 일본의 역사 기록은 869년의 쓰나미를 묘사하고 있으며, 1990년 무렵부터 땅을 판 지질학자들은 내륙 깊숙한 곳에서 그 모래를 찾아냈고, 그 아래에서 더 이전의 거대한 파도가 남긴 더 오래된 모래층도 발견했습니다.
  4. B. 빠른 규모 산정 방법은 매우 큰 지진을 과소평가하기 때문에 첫 추정치가 9.0이 아니라 7.9였습니다. 먼바다의 센서가 실제 파도를 감지하자 경보는 10미터 이상으로 상향되었습니다.
  5. A. 쓰나미의 속도는 물의 깊이에 따라 달라집니다. 얕은 물에서 앞부분이 느려지면 뒤쪽의 물이 따라잡아 위로 솟을 수밖에 없습니다.
  6. C. 침수로 발전소의 전원이 모두 끊겨(전원 완전 상실, 스테이션 블랙아웃) 원자로를 냉각할 수 없었습니다. 이는 체르노빌 이후 최악의 원자력 사고가 되었습니다.
  7. B. 고착된 단층이 해안을 육지 쪽과 아래쪽으로 끌어당기고 있었는데, 단층이 미끄러지자 위에 놓인 판이 해구 쪽으로 되튕겨 나갔고, 파열 부근의 해안은 가라앉았습니다.
  8. D. 규칙은 단순했고 수년 동안 연습했습니다. 큰 지진이 나면 곧바로 높은 곳으로 달려가고 기다리지 않는다는 것입니다. 이 도시 학생의 약 99.8%가 살아남았습니다.
  9. C. 일본은 과소평가된 첫 수치 때문에 사람들이 안전하다고 생각하는 일이 다시는 없도록 경보를 바꾸었습니다. 수치는 지진의 크기가 확인된 뒤에 덧붙입니다.
  10. A. 확률은 날짜도, 확실한 일도 아닙니다. 30년이라는 기간에 비하면 두 값 모두 높으며, 정부는 시민과 지방 정부에 더 높은 값을 염두에 두고 대비하라고 요청합니다.

서술형 답안

  1. 태평양판은 해마다 약 8센티미터씩 일본 쪽으로 다가와 일본 해구에서 섭입합니다. 판이 맞닿은 곳에서는 단층이 고착되어 있어서 일본의 가장자리가 끌려 내려가며 짓눌리고, 탄성 변형이 쌓입니다. 2011년에 변형이 마찰을 이겼습니다. 길이 약 400킬로미터의 구역에서 단층이 최대 약 50미터 미끄러졌고, 짓눌려 있던 가장자리가 튕겨 오르면서 해저가 위로 솟구쳐 그 위의 물기둥 전체를 들어 올렸습니다. 들어 올려진 물은 중력에 의해 다시 끌어내려지면서 사방으로 파도를 퍼뜨렸습니다. 깊은 바다에서 파도는 높이가 고작 일 미터 정도인 채로 시속 약 800킬로미터로 이동했고, 해안 가까이의 얕은 물에서는 느려지고 높아져 대략 삼십 분 만에 가까운 해안에 닿았으며, 곳곳에서 약 40미터까지 밀려 올라갔습니다. 탁 트인 태평양을 건너 약 7시간 뒤에는 하와이에, 약 하루 뒤에는 칠레에 도달했습니다.
  2. 일본에서 지진계로 지진을 기록해 온 기간은 약 한 세기에 불과해, 가장 큰 지진들 사이의 간격보다 훨씬 짧습니다. 일본의 역사 기록은 869년의 쓰나미가 센다이 평야를 덮쳐 약 1,000명이 익사했다고 전합니다. 1990년 무렵부터 지질학자들은 바다에서 실려 온 그 모래를 해안에서 수 킬로미터 떨어진 내륙에서 찾아냈고, 그 아래에서 더 오래된 모래층들도 발견했습니다. 이는 거대한 쓰나미가 수백 년 간격으로 되풀이해 이곳을 덮쳤음을 보여 줍니다. 그러나 공식 예측은 주로 더 잘 알려진 최근의 지진들을 바탕으로 했고, 규모 8 안팎의 지진을 예상했습니다. 지질학 연구는 아직 조간 지진이 얼마나 컸는지 추정하는 중이었고, 단층의 훨씬 더 넓은 구간이 한꺼번에 파열될 수 있다는 그 교훈 전체는 규모 9의 지진이 일어났을 때까지 재해 대비 계획에 반영되지 못했습니다.
  3. 아네요시 비석이 효과가 있었던 것은 그 규칙이 다음 파도의 크기를 예측하는 데 의존하지 않았기 때문입니다. 모든 집이 비석보다 위에 지어졌고, 2011년의 파도는 비석에서 약 90미터 아래 비탈에서 멈췄습니다. 가마이시의 훈련이 효과가 있었던 것은 곧바로 높은 곳으로 달려가고 기다리지 말라는, 단순하고 충분히 연습한 규칙이 경보나 추정치에 의존하지 않았기 때문입니다. 이 도시 학생의 약 99.8%가 살아남았습니다. 예전 쓰나미에 대비해 지은 방조제와 약 6미터의 파도에 대비해 설계된 후쿠시마 다이이치 부지가 실패한 것은, 정해진 설계 높이에 맞춰 지어졌는데 2011년 쓰나미(발전소에서 약 14미터)가 그 높이를 넘었기 때문입니다. 교훈은 과거의 사건에 맞춰 크기를 정한 방어 시설은 파도에 넘어갈 수 있지만, 사람들을 파도가 닿지 않는 곳으로 옮기는 규칙은 파도의 크기와 상관없이 효과가 있다는 것입니다. 가장 좋은 계획은 둘 다 활용합니다.

심화 학습

  1. 쓰나미는 얼마나 빨리 태평양을 건너고, 왜 높아질까?: c = √(9.81 × 5,000) ≈ 221 m/s ≈ 800 km/h로, 이 에피소드에서 말한 속도입니다. 5,960 km ÷ 800 km/h ≈ 7.5시간으로, 관측된 도착 시간인 약 일곱 시간에 가깝습니다(실제 파도는 실제 해저를 따라 이동하는데, 그 일부는 5,000미터보다 깊습니다). 높아지는 정도: ⁴√(4,000 ÷ 10) = ⁴√400 ≈ 4.5이므로, 높이 1미터의 파도는 약 4.5미터가 되고, √(9.81 × 10) ≈ 10 m/s, 즉 약 36 km/h로 움직이는데, 이는 대부분의 사람이 달리는 것보다 빠릅니다. 처오름 높이는 먼바다에서의 파도 높이가 아니라 물이 육지를 타고 올라간 높이입니다. 산리쿠 해안에서는 좁은 V자 모양의 만이 물의 흐름을 모으고, 움직이는 물이 운동량을 지닌 채 비탈을 올라가기 때문에 처오름 높이가 약 40미터에 이르렀습니다.
  2. 규모, 에너지, 미끄러짐: 첫 추정치보다 101.5 × 1.2 = 101.8 ≈ 63배 많은 에너지입니다. 첫 쓰나미 예측이 그렇게 낮았던 이유가 바로 이것입니다. 101.5 × 0.1 = 100.15 ≈ 1.4: 두 기관의 값은 에너지로 약 40% 차이가 나지만, 첫 오차에 비하면 작습니다. Mw 9.0의 경우 M₀ = 1022.6 ≈ 4.0 × 1022 N·m이므로 D = 4.0 × 1022 ÷ (4 × 1010 × 4 × 105 m × 1.5 × 105 m) ≈ 17 m이고, Mw 9.1의 경우 M₀ ≈ 5.6 × 1022 N·m, D ≈ 23 m입니다. 약 17~23미터의 평균 미끄러짐은 50~60미터인 최대값의 절반도 되지 않습니다. 최대 미끄러짐은 해구 가까이에 집중되어 있었고, 그곳에서 해저를 가장 많이 들어 올려 가장 큰 쓰나미를 일으켰습니다.
  3. 조기 경보는 얼마나 많은 시간을 벌어 줄 수 있을까?: 도쿄까지 S파의 이동 시간 ≈ 376 km ÷ 3.5~4 km/s ≈ 94~107 s이므로, 경보의 여유 시간은 약 64~77 s, 곧 이 에피소드에서 말한 대로 약 일 분입니다. 30 s 동안 S파는 진원에서 약 105~120 km를 이동합니다. 진원 깊이가 30 km이므로, 지표에서는 진앙으로부터 √(105² − 30²) ≈ 100 km에서 √(120² − 30²) ≈ 116 km까지 이릅니다. 진원에서 약 82 km 떨어진 오시카반도에는 겨우 약 20~23 s 만에 S파가 도착했으므로, 이런 경보보다 먼저였습니다. 거대 지진에서는 파열 자체가 몇 분 동안 계속 커지면서, 단층에서 나중에 깨지고 먼 도시에 더 가까운 부분에서도 강한 지진파를 내보냅니다. 그래서 실제 경보 시간은 파열의 출발점만이 아니라 파열 전체에 따라 달라집니다.
  4. 변형 수지와 조간형 쓰나미의 재발: 50 m ÷ 0.083 m/년 ≈ 600년, 20 m ÷ 0.083 m/년 ≈ 240년입니다. 869년부터 2011년까지(1,142년) 약 95미터의 수렴이 쌓였는데, 이는 2011년의 미끄러짐보다 많습니다. 따라서 모든 수렴이 고착된 구역에 변형으로 저장되는 것은 아니며, 일부는 느리고 조용한 미끄러짐과 이 판 경계에서 일어나는 수많은 작은 지진으로 풀려납니다. Ozawa와 동료들(2011)은 수지의 다른 측면을 지적합니다. 2011년 이전에 GPS는 도호쿠 앞바다에서 변형이 쌓이는 속도가 이 판 경계의 이전 지진들이 평균적으로 풀어 온 속도보다 훨씬 빠르다는 것을 보여 주었고, 그 변형이 결국 어떻게 풀려날 것인가 하는 의문을 낳았습니다. 확률: T = 1,000년이면 30년 안에 1 − exp(−0.03) ≈ 3%, 50년 안에 1 − exp(−0.05) ≈ 5%이고, T = 500년이면 각각 약 6%와 10%입니다. 결과가 파국적일 때, 발전소나 마을이 존재하는 기간 동안의 몇 퍼센트라는 확률은 결코 무시할 수 없습니다. 그래서 드문 사건은 설계에서 빼놓을 것이 아니라 설계에 포함해야 합니다.
  5. 지진이 정말로 하루의 길이를 바꾸었을까?: ΔI/I = ΔT/T = −1.8 × 10−6 s ÷ 86,400 s ≈ −2.1 × 10−11. 한 세기에 1.8 ms라는 추세는 1.8 × 10−3 s ÷ 36,525일 ≈ 4.9 × 10−8 s로, 하루의 길이가 날마다 그만큼씩 길어진다는 뜻입니다. 따라서 약 1.8 × 10−6 ÷ 4.9 × 10−8 ≈ 37일이면 이 변화가 상쇄됩니다. 일 년 동안에는 365 × 1.8 µs ≈ 0.66 ms입니다. 이 효과는 실제로 있지만 아주 작으며, 바람, 해류, 지구의 핵 때문에 생기는 하루 길이의 자연적인 변동보다 훨씬 작습니다. 그래서 측정한 것이 아니라 계산으로 구한 것입니다.